大型軸流加離心壓縮機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

金 鑫

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

0 引言

空分行業(yè)市場(chǎng)容量巨大，尤其是大型空分裝置，預(yù)計(jì)每年有15～20套十萬(wàn)等級(jí)空分壓縮機(jī)，絕大部分十萬(wàn)等級(jí)空分裝置用壓縮機(jī)均為進(jìn)口。目前，國(guó)際上主流的十萬(wàn)等級(jí)大型空分裝置主空壓機(jī)均采用軸流+離心組合型壓縮機(jī)。其中曼透平機(jī)組結(jié)構(gòu)為6級(jí)軸流+1級(jí)離心壓縮機(jī)，機(jī)型為“AR”型；西門(mén)子機(jī)組結(jié)構(gòu)為9級(jí)軸流+2級(jí)離心壓縮機(jī)，機(jī)型為“SR”型。兩家公司均采用軸向進(jìn)氣模式。國(guó)內(nèi)目前僅有該公司為神華寧煤設(shè)計(jì)制造的一套10萬(wàn)等級(jí)空分壓縮機(jī)在運(yùn)行，采用8級(jí)軸流+2級(jí)離心結(jié)構(gòu)，徑向進(jìn)氣，焊接機(jī)殼。該機(jī)組技術(shù)水平達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，但是部分技術(shù)指標(biāo)與國(guó)際領(lǐng)先水平還有一定差距，還需要進(jìn)一步提升，包括機(jī)組成本、效率指標(biāo)和外觀等。該項(xiàng)目以寧夏寶豐公司2套10萬(wàn)空分為依托，通過(guò)開(kāi)發(fā)全新一代軸流+離心壓縮機(jī)，使大型軸流+離心機(jī)殼各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

1 主要內(nèi)容及方法

該項(xiàng)目在神華寧煤國(guó)內(nèi)首臺(tái)10萬(wàn)等級(jí)空分裝置用MAC180軸流+離心共軸壓縮機(jī)組技術(shù)的基礎(chǔ)上，依托寧夏寶豐公司2套10萬(wàn)空分裝置，進(jìn)一步開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)，開(kāi)發(fā)了新一代10.5萬(wàn)空分裝置用大型軸流+離心壓縮機(jī)，在機(jī)組成本、效率指標(biāo)和外觀等方面實(shí)現(xiàn)新的技術(shù)突破，使機(jī)組可靠性及能耗指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。新一代MAC180壓縮機(jī)本體為單軸雙支撐結(jié)構(gòu)，采用兩段壓縮，段間設(shè)置中間冷卻器，第1段為8級(jí)軸流，第2段為2級(jí)離心，軸流葉片采用與HC1相同葉型，軸流段首級(jí)動(dòng)葉片名義直徑為1800 mm。兩級(jí)離心葉輪采用新開(kāi)發(fā)的閉式葉輪模型級(jí)，葉輪直徑分別為Φ1487 mm和Φ1465 mm。壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)椋簭妮S伸端看，葉輪為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，如圖1、圖2所示。

圖1 MAC180三維剖面圖

圖2 MAC180三維剖面圖

2 定子部件優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 軸向進(jìn)氣機(jī)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新一代MAC180壓縮機(jī)設(shè)計(jì)為軸向進(jìn)氣，進(jìn)氣機(jī)殼采用水平剖分的焊接結(jié)構(gòu)，通過(guò)垂直向的法蘭與整體機(jī)殼把合在一起，并以止口定位。支撐、推力軸承箱設(shè)置在進(jìn)氣機(jī)殼的內(nèi)部，外殼與軸承箱通過(guò)翼型板連接，以減少氣流通過(guò)時(shí)的流動(dòng)損失。進(jìn)氣機(jī)殼的下半機(jī)殼設(shè)置支撐筋板以提高剛性，如圖3所示。

圖3 MAC180進(jìn)氣機(jī)殼結(jié)構(gòu)圖

2.2 整體焊接機(jī)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸流段、離心段采用全新的水平剖分型整體機(jī)殼，采用碳鋼焊接結(jié)構(gòu)與以往的分段式機(jī)殼相比，剛性更好，壓縮機(jī)檢維修更為便利，如圖4、圖5所示。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了整體機(jī)殼的強(qiáng)度、剛性分析，滿(mǎn)足了空壓機(jī)的使用要求。

2.3 空壓機(jī)的橇塊設(shè)計(jì)

新一代MAC180空壓機(jī)將軸承溫度、軸振動(dòng)、軸位移的檢測(cè)儀表及接線從軸承箱蓋連接到接線箱，全部集成在本體上。為了布局美觀，走線簡(jiǎn)潔，在機(jī)殼兩側(cè)分別布置溫度檢測(cè)和振動(dòng)位移檢測(cè)2個(gè)接線箱，在三維模型中建立空間點(diǎn)連接引線，使引線緊貼機(jī)殼布置。儀表箱通過(guò)定制的支架安裝在機(jī)殼兩側(cè)。頂升油系統(tǒng)是MAC180空壓機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，主要由過(guò)濾器、超高壓油泵、電機(jī)、自立式調(diào)節(jié)閥、壓力表、安全閥以及管路等部件組成，為了實(shí)現(xiàn)本體的高度集成化，將頂升油及附屬件全部安裝在機(jī)殼下定子底板上，提高了外觀質(zhì)量和操作便利性。導(dǎo)葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及液壓執(zhí)行器均安裝在整體機(jī)殼內(nèi)，液壓油系統(tǒng)通過(guò)機(jī)殼上的管路接頭與伺服油站連接。

2.4 軸流段靜葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

空壓機(jī)的軸流段為全靜葉可調(diào)結(jié)構(gòu)，靜葉可調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)置在整體機(jī)殼與內(nèi)機(jī)殼之間，包括與內(nèi)機(jī)殼外筒成一體結(jié)構(gòu)的貓爪，與整體機(jī)殼成一體結(jié)構(gòu)的貓爪支架，貓爪壓板，石墨墊板，氣動(dòng)執(zhí)行器，可調(diào)靜葉及靜葉驅(qū)動(dòng)柄，貓爪設(shè)置于貓爪支架上并通過(guò)貓爪壓板固定，貓爪壓板固定連接在貓爪支架上，石墨墊板設(shè)置于貓爪和貓爪支架之間，起潤(rùn)滑作用，氣動(dòng)執(zhí)行器固定于貓爪支架上，氣動(dòng)執(zhí)行器通過(guò)傳動(dòng)桿與中央機(jī)殼外筒固定連接，可調(diào)靜葉上端穿過(guò)中央機(jī)殼上開(kāi)的圓孔連接在中央機(jī)殼上，可套圓孔中心線旋轉(zhuǎn)，可調(diào)靜葉頂端通過(guò)靜葉驅(qū)動(dòng)柄與中央機(jī)殼外筒連接。該項(xiàng)目的內(nèi)置靜葉可調(diào)機(jī)構(gòu)，設(shè)置于軸流式壓縮機(jī)的整體機(jī)殼中，不易受到損壞，在機(jī)殼兩側(cè)安裝執(zhí)行器的位置開(kāi)方孔，一是便于執(zhí)行器的安裝調(diào)試與檢修，二是有助于軸流段機(jī)殼外部的通風(fēng)冷卻。相對(duì)于國(guó)外機(jī)組的部分靜葉可調(diào)，該項(xiàng)目采用了全部靜葉可調(diào)，即8級(jí)軸流靜葉均可調(diào)節(jié)角度，大大提高了壓縮機(jī)組的工作范圍，調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)性等。

2.5 軸承區(qū)設(shè)計(jì)

新一代MAC空壓機(jī)采用軸向進(jìn)氣形式，壓縮機(jī)包括進(jìn)氣機(jī)殼、離心段整體機(jī)殼、軸流中央機(jī)殼、推力側(cè)軸承區(qū)、隔板、葉輪、主軸、支撐側(cè)軸承區(qū)，進(jìn)氣機(jī)殼與離心段整體機(jī)殼軸向可拆卸連接，軸流中央機(jī)殼設(shè)置于離心段整體機(jī)殼內(nèi)部，推力側(cè)軸承區(qū)設(shè)置于進(jìn)氣機(jī)殼內(nèi)部，推力側(cè)軸承區(qū)的內(nèi)軸承箱設(shè)置在進(jìn)氣機(jī)殼內(nèi)部并與進(jìn)氣機(jī)殼固定連接，內(nèi)軸承箱外部設(shè)置軸承箱外殼組，軸承箱外殼組前后端分別與前導(dǎo)流罩和后導(dǎo)流罩止口連接，前導(dǎo)流罩和后導(dǎo)流罩固定連接在進(jìn)氣機(jī)殼內(nèi)部，如圖6所示。

圖4 整體焊接機(jī)殼（上）

圖5 整體焊接機(jī)殼（下）

圖6 新一代MAC180軸承區(qū)結(jié)構(gòu)

3 轉(zhuǎn)子部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新一代MAC180轉(zhuǎn)子在主軸結(jié)構(gòu)及裝配、離心段的密封部位、新模型級(jí)的葉輪結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。主軸設(shè)計(jì)采用3段把合形式，中間段（軸流段）為空心軸結(jié)構(gòu)，左右兩段局部也設(shè)計(jì)為空心結(jié)構(gòu)以減小重量。針對(duì)主軸的3段軸的把合螺栓，研制了全新的超級(jí)螺栓結(jié)構(gòu)和液壓拉伸器工裝，該技術(shù)多年來(lái)一直被德國(guó)公司壟斷，如圖7所示。該項(xiàng)目的超級(jí)螺栓技術(shù)成果，具有全部的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。這種預(yù)緊式螺栓連接組件及裝配方法實(shí)現(xiàn)了襯套的側(cè)面與主軸連接孔之間的零間隙配合，進(jìn)而消除了超大型壓縮機(jī)主軸的靜撓度[1]，從而提高了超大型壓縮機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。離心段的2個(gè)葉輪采用了新開(kāi)發(fā)的混流式[2]高效率模型級(jí)NAC50100、NAC50070。2個(gè)葉輪均采用銑制+焊接形式，葉輪與主軸采用過(guò)盈配合。為了方便動(dòng)平衡，在輪盤(pán)背部設(shè)置可調(diào)整位置的平衡塊。離心段2個(gè)葉輪材料為高強(qiáng)度合金鋼，材料屈服極限為612 MPa。對(duì)MAC180的離心段2個(gè)葉輪進(jìn)行葉輪強(qiáng)度分析，并對(duì)帶入口導(dǎo)葉的第1級(jí)葉輪進(jìn)行頻率干涉分析，滿(mǎn)足長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。第1級(jí)葉輪在跳閘轉(zhuǎn)速下最大等效應(yīng)力值為594 MPa，小于材料屈服極限，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。閘轉(zhuǎn)速下，第1級(jí)葉輪軸孔最大徑向變形量為1.498 mm，設(shè)計(jì)半徑最小過(guò)盈量 1.550 mm，滿(mǎn)足 40%接觸要求。在第1級(jí)葉輪進(jìn)氣前設(shè)置了進(jìn)口導(dǎo)葉，出口擴(kuò)壓器為無(wú)葉形式。針對(duì)第2級(jí)葉輪，在跳閘轉(zhuǎn)速下，第2級(jí)葉輪的最大等效應(yīng)力值為566 MPa，小于材料屈服極限，滿(mǎn)足相關(guān)設(shè)計(jì)要求。在跳閘轉(zhuǎn)速下，第2級(jí)葉輪軸孔最大徑向變形量為1.496 mm，設(shè)計(jì)半徑最小過(guò)盈量為1.550 mm，接觸面積滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖7 國(guó)外超級(jí)螺母結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目的完成，不僅提高了大型空分壓縮機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)，同時(shí)也確定了沈鼓在十萬(wàn)等級(jí)空分壓縮機(jī)的主導(dǎo)地位，隨著份額的不斷擴(kuò)大，使得進(jìn)口機(jī)組價(jià)格不斷下降的同時(shí)份額不斷降低，為民族工業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。